Разработка перспективных корабельных энергетических установок за рубежом - шаг к кораблям нового поколения (2010)

капитан 2 ранга Д. Шинкоренко

В настоящее время корабельная энергетика в развитых зарубежных странах переживает переломный момент. Всережимные и комбинированные энергетические установки (ЭУ) различного типа, используемые на большинстве кораблей ВМС зарубежных стран, исчерпали свой потенциал модернизации - затрачивая колоссальные средства, разработчики способны лишь незначительно улучшить характеристики корабельных энергетических установок (КЭУ). В этой связи большие надежды зарубежные специалисты возлагают ни компоновочную схему ЭУ нового поколения - типа объединенная энергетическая система (IPS - Integrated Power System), обеспечивающую реализацию концепций "полное электродвижение" (Full Electric Propulsion) и "полностью электрифицированный корабль" (Full Electric Ship). Эта перспективная энергетическая установка будет обладать значительно более высокими техническими возможностями в сравнении с современными и способна обеспечить надежную работу всех корабельных систем, включая вооружение, требующих больших затрат энергии.

Энергетические установки с электрической передачей мощности на винт известны достаточно давно, а их компоновочные схемы разнообразны. Например, в 1926-1927 годах были спущены на воду два авианосца ВМС США - "Лексингтон" и "Саратога", оснащенных тypбоэлектрической главной энергетической установкой (ГЭУ). И хотя этих кораблей давно уже нет в составе ВМС США, они так и остались в истории зарубежных флотов как самые крупнотонажные, на которых в состав силовой установки наряду с тепловыми машинами включались электромоторы.

В современном надводном кораблестроении также используется принцип "электродвижения". Характерным примером действующих кораблей, на которых установлены электродвигатели, является серия фрегатов ВМС Великобритании типа "Дьюк" ("Норфолк") постройки 1990-2002 годов с компоновочной схемой ГЭУ типа CODLAG с электрической передачей мощности на винт.

Данная специфическая схема ГЭУ была разработана специально для фрегатов этога типа и на других кораблях до этого практически не применялась. При проектировании корабля одним из основных требований было обеспечение малой шумности силовой установки и особенно на поисковых скоростях хода 12-15 уз при работе с развернутой буксируемой ГАС. Исходя из этого, для ФР типа "Дьюк" и была выбрана компоновочная схема типа CODLAG, в которой режимы малой скорости хода обеспечиваются работой только электродвигателей (обшей мощностью около 3 МВт), питающихся от дизель-генераторов (ДГ).

На полной скорости хода корабля (28 уз) при совместной работе электромоторов и газотурбинных двигателей (ГТД) суммарная мощность ГЭУ достигает 26 МВт. Однако такая схема силовой установки обладает рядом недостатков, вызванных относительным несовершенством технологий того времени - слишком мала удельная мощность главного электродвигателя (ГЭД). а потери при преобразовании и передаче электроэнергии от ДГ к ГЭД достаточно велики (более 10 %).

Вполне успешно на протяжении уже многих десятилетий электродвигатели используются на дизель-электрических подводных лодках, где требования к их мощности значительно ниже, чем на надводных кораблях. Однако и в таких энергетических установках "электродвижение" применяется лишь частично, так как в состав ГЭУ входят как электродвигатели, так и тепловые машины.

Весьма перспективным представляется использование новой компоновочной схемы корабельной энергетической установки - типа "объединенная электроэнергетическая система" (ОЭЭС), в которой реализуются две ключевые концепции: "полное электро-твижение" (Full Electric Propulsion) и "полностью электрифицированный корабль" (Full Electric Ship).

Концепция "полное электродвижение" подразумевает использование на всех ходовых режимах только ГЭД. Реализация концепции так называемого полностью электрифицированного корабля предполагает полный отказ от пневматических, паровых и гидравлических приводов главных и вспомогательных механизмов и систем корабля и замену их электроприводами. Хотя такая компоновочная схема корабельных энергетических установок известна достаточно давно, несовершенство доступных на то время технологий не позволяло создать для надводных кораблей и подводных лодок всережимную ГЭУ, отвечающую требованиям по мощности и массогабаритным характеристикам (МГХ), где роль главных двигателей играли бы исключительно электромоторы, работающие на всех ходовых режимах. Этим объясняется преимущественное оснащение современных надводных кораблей ВМС зарубежных стран энергетическими установками с механической передачей мощности на винт, которые в полной мере соответствуют требованиям но мощности и MГX. Однако и такие КЭУ имеют по сравнению с ОЭЭС ряд существенных недостатков, одним из которых является низкий КПД. К подобным установкам относятся и всережимные (ядерные, котлотурбинные, дизельные), и большая часть комбинированных ГЭУ (газо-газотурбинные, дизель-газотурбинные, комбинированные дизельные).

Принципиальная схема ГЭУ фрегата типа "Дьюк" ВМС Великобритании: 1 - дизельные двигатели; 2 - генераторы электроэнергии; 3 - электромашинные преобразователи; 4 - газотурбинные двигатели; 5 - редукторные передачи; 6 - гребные электродвигатели; 7- винты фиксированного шага

В настоящее время подход к применению "электродвижения" изменился благодаря разработке ряда новых технологий стало возможным создание ОЭЭС, значительно превосходящей по ряду ТТХ современные типы КЭУ. Одна из них - технология производства твердотельных полупроводников, используемых в силовом электрооборудовании. Она позволяет значительно снизить MГX электрооборудования. Более того, новые технологии конструкционных материалов (ключевыми из которых являются технологии производства постоянных магнитов с полем большой индуктивности и высокотемпературных сверхпроводников), а также заимствованные из электромашиностроения технологии производства усовершенствованного 15-фазного асинхронного гребного электродвигателя (AIM - Advanced Induction Motor), позволяют значительно увеличить удельную мощность и КПД установки.

Не так давно в Великобритании компанией "Конвертим" проведены успешные испытания и налажено производство усовершенствованных асинхронных электродвигателей мощностью 21 МВт, которые входят в состав КЭУ ЭМ УРО типа "Дэринг" ВМС Великобритании, а также предполагается использовать на перспективных ЭМ УРО типа "Зумволт" ВМС США. Последующие корабли серии будут оснащаться ГЭД, разработанными компанией "Америкэн суперкондактор", с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников мощностью 36 МВт, прошедшими в 2009 году успешные испытания. Совершенствование технологий прямого преобразования энергии топлива в электроэнергию, которые позволяют создать высокоэкономичные, с высокой удельной мощностью топливные элементы (ТЭ), также открывает большие перспективы перед разработчиками корабельных ЭУ в плане значительного повышения КПД энергетической установки, а также снижения ее массогабаритных характеристик и шумности, что особенно важно для подводных лодок. В настоящее время ТЭ используются в энергетических установках дизель-электрических подводных лодок, которые строятся в Германии как для собственных ВМС (проект 212Б), так и на жепор! для ВМС Италии (проект 212Б). Республики Корея (проект 214), Португалии (проект 209) и Израиля (усовершенствованная ДЭПЛ типа "Долфин"). В качестве источников питания ГЭД на ДЭПЛ данных проектов вместе с аккумуляторными батареями используются модули ТЭ. На лодках проекта 212А установлены девять таких модулей марки BZM 34 суммарной мощностью 306 кВт, а на ПЛ проекта 214 и типа "Долфин" два - марки BZM 120 общей мощностью 240 кВт.

Применение ТЭ в качестве главного источника энергии на корабле приведет к значительному сокращению расхода топлива в широком диапазоне нагрузок по сравнению с ОЭЭС, где роль основных и вспомогательных источников энергии будут выполнять газотурбогенераторы (ГТГ).

Таблица 1 Основные ТТХ ГЭД

Характеристики Усовершенс-твованный асинхронный ЭД AIM Синхронный ВТСП ЭД (опытный образец)
Номинальная мощность, МВт 21 36
Частота оборотов ротора, об/мин 150 120
Масса модуля (с фундаментной рамой), т 117 75 (с криогенной системой)
Занимаемый объем и габариты (ДхШхВ). м3(м) 85,5 (4,75x4,5x4) 45,7(4,2x3,3x3,3)

Для сравнения на графике представлены ОЭЭС, в состав которых входит только ГТГ (первого поколения), главные ГТГ и вспомогательные ТЭ номинальной мощностью 10 МВт с КПД 38 проц, (второго поколения) и только ТЭ по 20 МВт с КПД 53 % (третьего поколения).

Однако внедрение данных технологий в существующие типы компоновочных схем КЭУ не может привести к значительному улучшению их характеристик. Поэтому в развитых зарубежных странах, таких как Германия, Франция. Япония, ведутся широкомасштабные НИOKP по созданию КЭУ нового поколения тля надводных кораблей и подводных лодок с компоновочной схемой ОЭЭС. Наиболее интенсивно такие проекты разрабатываются в США и Великобритании. По мере развития технологий будет поэтап-но видоизменяться и компоновка ОЭЭС (в основном в зависимости от применяемых типов электрогенераторов и гребных электродвигателей). По мере внедрения перспективных технологий будет совершенствоваться также и архитектурное построение ОЭЭС.

В Соединенных Штатах все вышеперечисленные технологии и конструктивно-схемные решения, разрабатываемые в ходе НИОКР, найдут применение в программе управления кораблестроения и вооружения военно-морских сил "Объединенная энергетическая система" и ее продолжении - "Объединенная энергетическая система нового поколения" (NGIPS - Next Generation Integrated Power System). В Великобритании данные работы ведутся по двум программам: "Объединенная система электродвижения" (IEP - Integrated Electric Propulsion) и "Объединенная система полного электродвижения" (IFEP Integrated Full Electric Power and Propulsion System).

Объединенная энергетическая система (IPS - Integrated Power System) предусматривает интеграцию составных частей корабельной энергетической установки (ГЭУ и ЭЭС) в единую систему с централизованным управлением и контролем. Ее ядром будет электроэнергетическая система корабля, вырабатывающая и распределяющая электроэнергию как на корабельные системы и механизмы. так и на гребные электродвигатели, обеспечивающие ход корабля. Иными словами, разрабатываемая ОЭЭС будет использовать общий первичный источник выработки электроэнергии для обеспечения движения и электроснабжения всех корабельных систем - от систем оружия до систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Таблица 2 Основные ТХ модулей ТЭ
Характеристики BZM 34 BZM 120
Номинальная мощность, кВт 34 120
Номинальная сила тока, А 650 560
Номинальное напряжение, В 52,3 215
Рабочая температура, °С 70-80 70-80
Высота х ширина х длина, м 47х47х143 53x50x176
Масса, кг 650 900
КПД на полной мощности, % 62 56
КПД при 20-процентой нагрузке, % 72 68

 В настоящее время такая ЭУ устанавливается исключительно на надводных кораблях ВМС Великобритании трех типов: ЭМ УРО "Дюринг".ДВКД "Альбион", танкер-заправщик (ТЗ) "Вэйв", а также на универсальных десантных кораблях (УДК) ВМС Франции типа "Мистраль".

Применением передовых технологий в сочетании с новой компоновочной схемой ОЭЭС достигается улучшение ТТХ и технико-экономических показателей не только КЭУ, но и корабля в целом. Главными преимуществами архитектуры построения таких систем в сравнении с всережимными и комбинированными КЭУ являются:

- Обеспечение большей гибкости в размещении элементов КЭУ, так как только ГЭД должны быть механически соединены с гребным валом. (На боевых кораблях техническое оборудование размещается с учетом резервирования. что, соответственно, влияет на обеспечение его живучести в боевых условиях. Расположение однотипного оборудования в различных отсеках позволяет КЭУ функционировать даже при повреждении одного из агрегатов.)

- Эффективность - КПД двигателя тем выше, чем ближе нагрузки на него к номинальным. Архитектура построения ОЭЭС обеспечивает работу по принципу электростанции, где выработка электроэнергии происходит посредством генераторов, количество и номинальная мощность которых тщательно подобрана согласно общей нагрузке, необходимой для обеспечения движения и корабельных потребителей, в соответствии с ходовыми режимами корабля.

- Низкий уровень шумности и вибрации (в ГЭУ с механической передачей энергии на винт для снижения шумности используется дополнительное оборудование, такое как специальные фундаменты и эластичные муфты).

- Снижение массогабаритных характеристик. Сокращение количества главных двигателей и отсутствие ГРП, а также протяженных линий вала компенсируют этот недостаток. Кроме того, высокий КПД ОЭЭС позволяет снизить расход топлива, а следовательно, и объем его запасов на корабле при использовании тех же ходовых режимов.

- Резервирование. В ГЭУ с механической передачей энергии на винт неполадки главного двигателя или ГРП приводят к полной остановке соответствующей линии вала. В ОЭЭС может применяться встроенное резервирование для поддержания хода корабля на приемлемом уровне даже при аварийном или боевом повреждении. Электрические машины могут иметь более чем одну группу обмоток, которые независимо друг от друга питаются от разных источников, что позволяет одной группе быть изолированной в случае повреждения другой или источника питания и функционировать агрегату даже на пониженных нагрузках в аварийном режиме.

График зависимости расхода топ шва на милю пройденного пути от скорости хода ЭМ УРО, оснащенных ОЭЭС: синий - ОЭЭС первого поколения (только газотурбогенераторы); розовый - ОЭЭС второго поколения (в составе газотурбогенераторы и топливные элементы); зеленый - ОЭЭС третьего поколения (только топливные элементы)
Однолинейная схема электрических соединений ОЭЭС ЭМ УРО типа "Дэринг": 1 - газотурбогенератор; 2 - дизель-генератор; 3 и 4 - распределительные щиты сети высокого напряжения (ГРЩ) левого и правого борта; 5 и 10- перемычки сети высокого и низкого напряжения левого и правого борта; 6 и 11 - фильтры гармоник сети высокого и низкого напряжения; 7 - преобразователи напряжения левого и правого борта; 8 и 9 - ГРЩ сети низкого напряжения левого и правого борта; 12 - трехканальный силовой преобразователь с динамическим торможением (инвертор) переменного тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (три канала  на каждый ГЭД пять фаз на каждый канал); 13 - 15-фазный асинхронный гребной электродвигатель; 14 - винт фиксированного шага
Принципиальная схема ОЭЭС эсминца УРО типа "Замволт" ВМС США: 1 - газотурбинный двигатель; 2 - генератор электроэнергии; 3 - выпрямитель (преобразователь переменного тока в постоянный); 4 - силовой преобразователь; 5 - гребной электродвигатель; 6 - движитель; 7 - топливные элементы; 8 - преобразователь постоянного тока; 9 - преобразователь постоянного тока в переменный; 10 - трансформатор; 11 - аккумуляторные батареи; 12 - маховик; 13 - генератор-двигатель; 14 - преобразователь питания импульсного оружия
Диаграмма распределения нагрузки по потребителям современных надводных кораблей с механической передачей мощности на винт в сравнении с ОЭЭС эсминца УРО типа "Замволт"

- Надежность. Хотя силовая электроника достаточно сложна и имеет большое количество компонентов. что, по расчетам, ведет к снижению надежности системы, на практике был продемонстрирован довольно высокий результат - наработка на отказ превышала 100 000 ч.

- Закупочная стоимость ОЭЭС будет существенно выше, чем для ГЭУ с механической передачей энергии на винт, однако меньшее количество главных двигателей, применение винтов фиксируемого шага и более умеренные эксплуатационные расходы (в результате высокой экономичности технического обслуживания) позволят в целом снизить стоимость жизненного цикла.

- Высокие уровень автоматизации и надежности электрической ГЭУ ведут к сокращению численности обслуживающего ее персонала (в зависимости от требований заказчиков и, следовательно, от выбранной системы управления и контроля установкой многие современные корабли проектируются с необитаемыми машинными отделениями, доступ в которые разрешается только в случае проведения ремонтных регламентных работ и инспекций).

ОЭЭС современных кораблей состоит из набора модулей, что облегчает разработку, поставку и материально-техническое обеспечение энергетических установок кораблей различных классов. Такая архитектура способствует использованию стандартных общих модулей, разрабатываемых и производимых независимо несколькими компаниями. Подобный принцип построения КЭУ предоставляет также возможность внедрения передовых технологий и конструктивно-схемных решений путем замены морально устаревших стандартных модулей на усовершенствованные с такими же входными и выходными параметрами, но с улучшенными характеристиками Этот подход не требует серьезной модернизации всей установки, больших финансовых вложений и трудозатрат. В ОЭЭС кораблей, состоящих на вооружении ВМС зарубежных стран, входит пять основных модулей:

- модули генераторов электроэнергии (PGM Power Generation Modules), в качестве которых в настоящее время используются ГТГ и ДГ различной мощности;

- модули распределения электроэнергии (PDM - Power Distribution Modules) - кабельные трассы, коммутационное оборудование, фильтры гармоник и другие;

- модули преобразователей электроэнергии (PCM - Power Conversion Modules) - переменного тока в постоянный и обратно, а также частотные;

- модули гребных электродвигателей (РММ - Power Motor Modules) - используются в основном усовершенствованные асинхронные электродвигатели с обмотками из меди;

- модули постов дистанционного управления установкой (PCON - Power Control Modules)- высокий уровень автоматизации ОЭЭС позволяет сократить численность экипажа, что одновременно влечет за собой снижение расходов на содержание корабля и увеличение полезной нагрузки за счет высвободившихся объемов.

По оценкам зарубежных специалистов, ОЭЭС, применяемые на современных кораблях, по большинству характеристик превосходят комбинированные энергетические установки, однако не в полной мере соответствуют одному из важнейших требований возможности использования перспективного энергоемкого оружия и вооружения, поэтому являются переходным вариантом к ОЭЭС следующего поколения.

Объединенная энергетическая система нового поколения (NGIPS - Next Generation Integrated Power System) представляет собой результат дальнейшего эволюционного развития ОЭЭС. Принципиальное отличие КЭУ следующих поколений от существующих ОЭЭС (ЭМ УРО типа "Дэринг") состоит, во-первых, в использовании в них модулей - накопителей электроэнергии (ESM - Energy Storage Modules), что позволит оснащать НК новыми энергоемкими видами оружия, а во-вторых, в возможности совершенствования модулей электрогенераторов и гребных электродвигателей за счет внедрения перспективных технологий, в частности сверхпроводимости и топливных элементов.

Примером корабля с такой энергетической установкой является перспективный ЭМ УРО ВМС США тина "Замволт" (проект DD 1000). В 2012-2015 годах должны также вступить в строй два авианосца ВМС Великобритании с КЭУ типа объединенная электроэнергетическая система - "Куин Элизабет" и "Принц Уэльский", которые, вероятно, смогут побить рекорд по тоннажу кораблей с "электродвижением" (со времен постройки авианосцев ВМС США "Лексингтон" и "Саратога").

На первом этапе развития ОЭЭС энергия топлива в тепловых машинах (ДУ и/или ГТУ) преобразуется в механическую, которая передается на ротор электрогенератора, где происходит дальнейшее преобразование механической энергии вращения ротора в электрическую. Несмотря на то что генераторы электроэнергии в ОЭЭС первого поколения работают в области нагрузок с номинальной (расчетной) мощностью при наивысшем для них КПД. термодинамические циклы тепловых машин подразумевают колоссальные промежуточные тепловые потери, что в итоге сказываются на КПД установки. Поэтому последующее совершенствование ОЭЭС (второе и третье поколения) подразумевает замену генераторов с приводом от тепловых машин на топливные элементы, в которых происходит прямое преобразование органического топлива в электроэнергию посредством электрохимической реакции, что позволяет достичь высокого КПД (более 60 %). В ТЭ предполагается использовать стандартное дизельное топливо (НАТО F-76). которое в настоящее время широко применяется за рубежом.

Таблица 3 Основные режимы работы ОЭЭС ЭМ УРО типа "Замволт" и распределение нагрузки по потребителям
Основные режимы работы ОЭЭС (скорость хода корабля, %) Распределение нагрузки по потребителям (%)
Резерв мощности ОЭЭС Системы оружия и вооружения Общекорабельные потребители Система электродвижения
Скорость полного хода (100) 8,0 3,5 3,5 85,0
Скорость эконом, хода (75) 55,0 3,5 3,5 38,0
Скорость эконом, хода (50) 75,0 14,0 (РЛС большой мощности) 3,5 7,5
Скорость малого хода (25) 38,5 48,0 (защита акватории лазерным оружием) 8,5 5,0
Скорость малого хода (менее 25) 8,0 73,5 (атака наземных целей ЭМП) 15,0 3,5

На современных кораблях с ОЭЭС первого поколения установлены генераторы переменного тока, а впоследствии ТЭ будут вырабатывать постоянный ток.

Далее электроэнергия преобразуется (по току, напряжению и частоте) с необходимыми для корабельных потребителей параметрами. Кроме тот, часть ее с помощью ГЭД преобразуется в механическую энергию вращения линии гребного вала и движителей, что обеспечивает кораблю поступательное движение. Другая часть электроэнергии посредством различного рода исполнительных механизмов преобразуется в механическую (поступательного или вращательного движения) для приводов механизмов вспомогательных систем как КЭУ, так и всего корабля, а также в тепловую энергию для удовлетворения бытовых нужд экипажа. Значительная часть электроэнергии используется для питания электронных систем корабля (СБУ, АСУ КЭУ, связной аппаратуры и т. п.).

При выработке работающими генераторами излишней электроэнергии она будет аккумулироваться в различного типа накопителях (модулях накопителей электроэнергии) и использоваться в случае возрастания электрической нагрузки в сети электропитания выше номинальной мощности работающих генераторов, но значительно ниже резервных. Таким образом, потери энергии минимизируются.

Кроме того, ОЭЭС нового поколения предполагает гибкую систему распределения электроэнергии в зависимости от тактической обстановки. Например, при необходимости развития полного хода большая ее часть будет предназначена для ГЭД. При средних нагрузках, на скоростях малого или экономического хода, модули генераторов будут вырабатывать дополнительную электроэнергию, что предоставит возможность для использования новых энергоемких систем вооружения, которые в настоящее время создаются за рубежом.

Внедрение перспективных технологий и конструктивно-схемных решений в уже существующие ОЭЭС палеолит значительно улучшить ТТХ как КЭУ, так и корабля в целом. Эволюция корабельной энергетики определяющим образом сказывается и па техническом облике кораблей. Внедрением на кораблях объединенной электроэнергетической системы нового поколения предусматривается обеспечить не только значительное улучшение ТТХ и технико-экономических показателей КЭУ, но и возможность применения на них оружия высокой энергии направленного действия (электромагнитной пушки, лазерного оружия), новых радиолокационных станций и электромагнитных катапульт на авианосцах. Данный тип КЭУ предполагает реализацию концепций "полного электродвижения" и "полностью электрифицированного корабля".

Зарубежное военное обозрение. 2010. - №11. - С. 62-70

 

Всего комментариев: 0
avatar